浅谈微晶玻璃

浅谈微晶玻璃摘要微晶玻璃是通过基础玻璃或其它材料在加热过程中进行控制晶化而得到的一种中含有大量微晶体和玻璃体的复合固体材料。

微晶玻璃具有很多优异的性能，这些特性一般都超过了普通的金属材料、有机材料及无机非金属材料。

这些优异的性能使微晶玻璃受到了极大的欢迎。

关键词微晶玻璃组成结构制备工艺应用发展1引言微晶玻璃(Glass-ceramic)又名玻璃陶瓷，它是指将加有形核剂（个别可不加）的特定组成的基础玻璃，通过控制结晶变成具有一种或多种微晶体和残余玻璃相的复合材料，即在非晶态的玻璃内均匀分布着大量（体积百分比约占95%～98%）的随机取向的微小陶瓷晶体（通常小于10μm）。

同原始玻璃相比,微晶玻璃的特点是无脆性、强度高、化学稳定性好、热稳定性和硬度比较高,并具有一些特殊的性能；与大理石、花岗岩相比,由于其组成是均匀细小晶体,因此其机械性能、耐化学腐蚀、硬度等主要物化性能均优于大理石、花岗岩,因此具有广泛的发展前途和应用价值,用它来代替天然和人造大理石已逐步成为时代的趋势[1]。

我国对微晶玻璃的研究起步于上世纪的八十年代初,经过二十多年的开发,微晶材料的生产工艺基本上已趋于成熟,进人了实用阶段。

它主要用做建筑装饰材料、飞机、火箭、卫星等结构材料,医疗、化工等防腐材料以及军事上,如激光制导材料等。

2 微晶玻璃的组成与结构2.1 组成与一般玻璃不同,微晶玻璃的组成应分解为：（1）玻璃的总体化学组成,它应未微晶化的玻璃的化学组成一致；（2）各相的化学组成,它包括析出的各晶相和残余玻璃组的化学组成。

首先应指出,仅有一定范围的组成能符合制备微晶玻璃的要求。

一般都应含有一定量的玻璃形成剂。

SiO2 ,B2O8等。

其作用在于使玻璃易于晶化而易于引起分，以间接促进核化与晶化。

虽然对分相的作用见解分岐,但一般认为,选择亚稳分相附近的组成有益于微晶化。

此外,许多种添加剂的引入,会起到晶核剂的作用,促进玻璃的整体晶化。

晶核剂及其作用机理的研究是微晶玻璃组成研究的一个重要问题。

而在网络外体中往往需引入具有小离子半径、大场强的Li+,Mg2+和Zn2+等。

其作用在于使玻璃易于晶化或易于引起分相,以间接促进核化与晶化,同时选择亚稳分相附近的组成有益于微晶化。

此外,许多种添加剂的引入,如TiO2、ZrO2、Cr2O3等,会起到晶核剂的作用,促进玻璃的整体晶化。

为了保证重新热处理过程中易于整体晶化,在组成设计时必须使玻璃具有适合的粘度—温度曲线[2]。

2.2 结构材料的外观性能取决于它的内在结构。

微晶玻璃的结构包括晶相和玻璃相的组成、数量和它们的相对比例,因此其性能既取决于玻璃的组成又取决于它的晶化工艺,因为晶体的种类由玻璃组成决定,而晶化工艺却在很大程度上影响着析出晶体的数量和大小[3]。

微晶玻璃是由结晶相和玻璃相组成的,结晶相是多晶结构,晶体细小。

在晶体之间分布着残存的玻璃相,玻璃相把数量巨大、粒度细微的晶体结合起来。

微晶玻璃中结晶相、玻璃相分布的状态,随它们的比例而变化。

当玻璃相占的比例大时,玻璃相呈现为连续的基体,而彼此孤立的晶相均匀地分布在其中；当玻璃相数量较少时,玻璃相分散在晶体网架之间,呈连续网络状；当玻璃相数量很低时,它就以薄膜的状态分布在晶体之间。

微晶玻璃是晶体同玻璃体的复合体,其性能由两者的性质及数量比例决定。

3 微晶玻璃的特点微晶玻璃采用一种不同于陶瓷的制造工艺，与普通玻璃相近，但特性与陶瓷却迥然不同。

因为当玻璃中充满微小晶体后（每立方厘米约十亿晶粒），玻璃固有的性质发生变化，即由非晶形变为具有金属内部晶体结构的玻璃结晶材料。

微晶玻璃比高炭钢硬、比铝轻，机械强度比普通玻璃大6倍多，耐磨性不亚于铸石，热稳定性好（加热900℃骤然投入5℃冷水而不炸裂），电绝缘性能与高频瓷接近，化学稳定性与硼硅酸玻璃相同，不怕酸碱侵蚀。

微晶玻璃板色彩丰富而均匀，无色差，光泽柔和晶莹，外观酷似天然石材，而机械性能指标、化学稳定性、耐久性和表面光洁度等方面都超过花岗石。

分析如下：1、丰富的色泽和良好的质感通过工艺控制可以生产出各种色彩、色调和图案的微晶玻璃蚀面材料。

其表面经过不同的加工处理又可产生不同的质感效果。

抛光微晶玻璃的表面光洁度远远高于天然石材，其光泽亮丽，使建筑物豪华和气派。

而毛光和亚光微晶玻璃可使建筑平添自然厚实的庄重感，所以微晶玻璃可以在色泽和质感上能很好地满足设计者的要求。

2、色调均匀天然花岗石难以避免明显的色差，这是其固有的缺陷。

而微晶玻璃易于实现颜色均匀，达到更辉煌的装饰效果。

尤其是高雅的纯白色微晶玻璃，更是天然石材所望尘莫及的。

3、永不浸湿、抗污染凡由天然石材装修的墙面，经过雨雪浸淋都会留下湿纹，而且一连数月甚至更长时间都无法恢复原状。

这种缺陷是因为天然石材有一定的吸水性，导致其渗水、渗碱，甚至渗泥浆，从而影响其原有色泽甚至产生污染和浸湿石材表面。

而微晶玻璃则具有玻璃不吸水的天生特性，所以不易污染，其豪华外观不但不受任何雨雪的侵害，反而还借此“天雨自涤”的机会而备增光辉，能全天候地永葆高档建筑的堂皇。

由于易于清洁，从建筑物的维护和保养方面考虑，可以大大降低维护成本。

4、优良的机械性能和化学稳定性微晶玻璃是无机材料经高温精制而成，其结构均匀细密，比天然石材更坚硬、耐磨、耐酸碱等，即使暴露于风雨及被污染的空气中也不会变质、褪色[4]。

5、高度的破裂安全性仿石材的微晶玻璃有多种。

天津标准国际建材工业有限公司生产的一种内部结构像花岗石那样的颗粒状组织的微晶玻璃，即便强力冲击引起破裂，其破裂规律也和花岗石一样，只形成三岔裂纹，裂口迟钝不伤手。

而一般的玻璃或其它仿石材微晶玻璃，则会出现蛛网粉碎状，成为不安全因素。

6、高度环保性能微晶玻璃不含任何放射性物质，确保了环境无放射性污染。

尽管抛光微晶玻璃功能达到近似于玻璃的表面光洁度，但光线不论从任何角度照射，都可形成自然柔和的质感，毫无光污染。

7、规格齐全，易加工成型根据需要可以生产各种规格、厚度的平板和弧形板、由于微晶玻璃可用加热方式加工成型，所以其弧形板加工简单、经济。

微晶玻璃的生产工艺，除具有上述微晶化温度低和晶化速度快的特点外，还具有质地细腻，加工光泽度高，不风化，不吸水，可加工成曲面的特点。

微晶玻璃的外观可与玛瑙、玉石、鸡血石等名贵石材相近，装饰效果良好。

用微晶玻璃制成的微晶玻璃装饰板，具有许多奇妙的特性——它属于玻璃制品，却砸不碎，碰不破；它的表面具有天然石材的质感，却没有色差；它像大规格抛光砖一样密实，可铺地，可挂墙，却没有瓷砖釉面褪色的弱点；像铝型复合板一样，可任意着色，外表华丽，却不像铝塑板那样怕氧化，不耐腐蚀。

正是这些色泽美观、外观华丽、永不磨损、永不褪色、不怕腐蚀的特殊优良性能，使微晶玻璃成为继装饰玻璃、天然石材、金属板材之后而流行的高档装饰材料[5]。

4 微晶玻璃的制备工艺微晶玻璃的制备方法根据其所用原材料的种类、特性、对材料的性能要求而变化，主要有熔融法、烧结法、溶胶－凝胶法、二次成型工艺、强韧化技术等。

4.1 熔融法微晶玻璃最早采用的制备方法就是熔制法，直到今天熔制法仍是制备微晶玻璃的主要方法。

熔制法的主要工艺过程为：将一定量的晶核剂加入到玻璃原料中，充分混合均匀制成玻璃配合料，于1500～1600℃高温下熔制，均化后将玻璃成型，经退火后在一定温度下进行核化和晶化，以获得晶粒细小且结构均匀的微晶玻璃制品。

热处理制度的确定是微晶玻璃生产的技术关键。

最佳的成核温度一般介于相当于粘度为1011～1012泊的温度范围之间。

作为初步的近似估计,最佳成核温度介于Tg和比它高50℃的温度之间。

晶化温度上限应低于主晶相在一个适当的时间内重熔的温度。

通常是25℃～50℃。

根据热处理过程一般分两个阶段进行，即将退火后的玻璃加热至晶核形成温度T核，并保温一定时间，在玻璃中出现大量稳定的晶核后再升温到晶体生长温度T晶，使玻璃转变为具有亚微米甚至纳米晶粒尺寸的微晶玻璃。

对于给定的玻璃成分选择合适的晶核剂是至关重要的。

微晶玻璃的成核剂可以分为贵金属及氧化物两大类。

贵金属成核剂主要是以Au、Ag、Pt等贵金属或Cu作晶核剂，而氧化物成核剂常用的有TiO2、ZrO2和P2O5。

晶核剂的作用，一类是促进基质玻璃的亚稳分相，导致相界面的发展，降低了晶核形成的势垒。

另一类晶核剂是借助于均匀成核。

晶核剂在玻璃熔体中分散度高，能诱导主晶相的异相成核。

这类晶核剂在玻璃中成核活化能低，会导致高的均匀成核速度。

还有一类晶核剂，在玻璃中具有两种价态的氧化物，成为价电子的接受者，使玻璃中局部能量产生变化而引起自发核化，如V 2O5、Fe 2O 3、Cr 2O 3等过渡元素的氧化物[1]。

熔融法制备微晶玻璃具有如下优点：(1)可采用任何一种玻璃的成形方法,如压制、浇注、吹制、拉制,便于生产形状复杂的制品和机械化生产；(2)制品无气孔，致密度高；(3)玻璃组成范围宽。

其缺点为：(1)熔制温度过高,通常都在1400～1600℃,能耗大。

(2)热处理制度在现实生产中难于控制操纵。

(3)晶化温度高,时间长,现实生产中难于实现。

熔融法可采用技术成熟的玻璃成型工艺来制备复杂形状的制品，便于机械化生产。

由玻璃坯体制备的微晶玻璃在尺寸上变化不大，组成均匀，不存在气孔。

空隙等陶瓷中常见的缺陷，因而微晶玻璃不仅性能优良且具有比陶瓷更高的可靠性。

4.2 烧结法烧结法是使玻璃粉末产生颗粒粘结,然后经过物质迁移使粉末产生强度并导致致密化和再结晶的过程,烧结的推动力是粉状物料的表面能大于多晶烧结体的晶界能。

烧结微晶玻璃是将玻璃颗粒通过受控烧结、结晶制得。

与普通陶瓷烧结不同的是,烧结微晶玻璃是将玻璃颗粒进行烧结，在加热、烧结过程中,玻璃本身还发生成核析晶现象。

析晶有利于提高烧结体的强度和美化外观装饰效果，但同时也增加玻璃的粘度,阻碍粘性流动，甚至使烧结难于进行。

因此,烧结法生产微晶玻璃要求基础玻璃在较低的粘度下具有一定的析晶能力，并且其表面析晶速度不宜太大。

其目的是为了使烧结时的致密化和晶化过程发生在不同的温度区域，以减少析晶对致密化的干扰。

在微晶玻璃的烧结和结晶过程中，控制适当的表面析晶速率是获得低气孔率微晶玻璃的关键。

烧结法制备微晶玻璃的工艺流程如下：配料→熔制→水淬→粉碎→过筛→成型→烧结→加工它的优点是：(1)基础玻璃的熔制温度与熔融法相比较，熔融温度低且时间短，因此该法适于需要高温才能熔融的玻璃制备微晶玻璃。

(2)烧结法还有一个显著的特点，即玻璃经过水淬后，颗粒细小，表面积增加，比熔融法制得的玻璃更易于晶化，因而有时可以不使用晶核剂。

(3)生产过程易于控制,很容易实现机械化、自动化生产，便于目前建筑陶瓷厂的转型。

(4)产品质量好,成品率高，厚度及规格可变，能够生产大尺寸制品。